光刻小讲堂|你不知道的光刻世界的快、稳、准

半导体工艺与设备 2022-03-27 07:00

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在光刻机内，有另一个“大神”，它聚集了光刻机中最重要的运动部件，是系统的机械“心脏”，它就是我们今天要介绍的——晶圆平台模组（Wafer stage module）。

今天，光刻小讲堂就带你了解晶圆平台模组如何发挥它的快、稳、准，以不断地向更高的产能、更准的套刻精度迈进。

在这样一个争分夺秒的行业里，时间就是金钱。ASML也一直在追求光刻机极致的速度，目前最先进的DUV光刻机，每小时可以完成300片晶圆的光刻生产。

这是一个什么概念呢？

我们来换算一下，完成一整片晶圆只需要12秒，这还得扣除掉晶圆交换和定位的时间，实际光刻时间要更短。而一片晶圆的光刻过程，需要在晶圆上近100个不同的位置成像电路图案，所以完成1个影像单元（Field）的曝光成像也就约0.1秒。

所以各位同学看到的动画其实都是慢动作了。要实现这个成像速度，晶圆平台在以高达7g的加速度高速移动。7g加速度是什么概念呢？F1赛车从0到100km/h加速约需要2.5秒，而晶圆平台的7g的加速度，若从0加速到100km/h只要约0.4秒。

光刻机的准，是包括水平方向和垂直方向的。在水平方向上，各位都知道，芯片制造是一层层向上叠加的，最高可达上百次叠加。

每一次的叠加，都必须和前一次完美重叠，重叠的误差，我们称套刻精度（overlay），现在的要求已经到了1~2纳米。而晶圆从传送模组传送并放置在晶圆平台上，会产生一定的机械误差，而精密机械的误差是微米等级（1微米=1,000纳米），也就是说每片晶圆上了晶圆平台，总是有个数千纳米以上的偏移。

要怎么才能做到每次的叠加套刻精度在1~2纳米呢？

从垂直面上，由于光刻机的投影物镜太巨大，在对焦点上下可接受的清楚影像范围小于100纳米。而从微观的角度来看，晶圆表面是高低不平的，若累加晶圆平台的高低差，在晶圆表面不同位置的光阻高度可以相差500~1,000纳米。

这些巨大的偏移和高低差，使得每次曝光之前，必须针对每片晶圆做精密的量测，截取到晶圆每一个区块纳米等级的微小误差。在曝光阶段实时校正，达到纳米等级的准度。

双晶圆平台也是ASML光刻机为了同时达到快和准所发展出来的。精准量测不可少，但需要花不少时间，双晶圆平台在一个晶圆平台在给晶圆进行曝光时，另一个平台可对下一片晶圆进行量测校正。实现测量和曝光的无缝衔接，极大地提高了生产效率。

在保证了快和准之后，机台的稳定程度就是我们不得不去考虑的重要问题了。没有稳定的机台，是不可能做到精准纳米级别的成像的，ASML光刻机需要做到好几个层面的稳定。

光刻机以极高的加速度进行扫描曝光（scan）, 在不到0.1秒的时间，又要急停并回头往反方向扫描，这么大的力量如果不做控制，会让整机产生振动，是不可能达到完美成像的。ASML光刻机利用所谓的balance mass来吸收平衡晶圆平台所施加于机座的反作用力，完美平衡，整座机台完全静止，稳如泰山。

晶圆在量测端完成了极精密的量测，还需要在极短的曝光时间内，完美定位，这就要靠精密机械运作，和实时的定位校正了。ASML光刻机可实现每秒两万次量测定位校正，以精度达到60皮米（0.06纳米，比一个硅原子还要小）的传感器确认精准定位。

ASML最先进的DUV光刻机，每天可以光刻6,000片以上的晶圆，也就是每天要来回扫描60万次以上。如何做到24小时运作，365天全年无休，依然维持纳米精度？晶圆平台难道不会磨损吗？事实上晶圆平台是采取所谓无接触移动的。讲得玄一点，晶圆平台在成像扫描过程中，都是飘浮在空中快速来回运动的。ASML晶圆平台的悬浮技术有两种，Twinscan XT的气浮方式和新一代Twinscan NXT的磁悬浮方式。借由无接触的移动方式，达成极高速的运动和持久稳定的运作。